الطاقة الشمسية باستخدام مرايا فرينل

الطاقة الشمسية باستخدام مرايا فريسنل

مرآة فريسنل واستغلال الطاقة الشمسية.

23 أغسطس 2005

لست الوحيد الذي فكر في هذا، والدليل على ذلك هذا المقال: http://www.klimaschutz.com/synth/sfc021001.htm

قامت القارئة لور إيمانويل مولر بترجمته لنا. نشكرها على ذلك.

ملخص قبل القراءة.

اختار البلجيكيون صيغة تعتمد على أنبوب جامّع للحرارة ثابت، تتولد فيه البخار مباشرة، ويُركّز الإشعاع الشمسي عليه بواسطة سلسلة من المرايا المثبتة على الأرض، تأخذ شكل شرائط طويلة، وتُضبط اتجاهاتها ميكانيكياً.

كفاءة سولارموندو

نظام "سولارموندو". مرايا مسطحة (بطول 1000 متر) دوّارة. أنبوب جامّع ثابت. تحته محاصيل زراعية.

كما يظهر في هذا المخطط، تُثبَّت شرائط عاكسة، وهي مرايا بطول 1000 متر، على هيكل. تحت هذا الهيكل، يمكن في المناطق ذات الإشعاع الشمسي العالي جداً تطوير محاصيل زراعية، حيث يمكن استخدام جزء من الطاقة المجمّعة لتحلية مياه البحر. يمكن تركيب مثل هذا النظام في منطقة دبي، في الإمارات العربية المتحدة، حيث الساحل في النهاية غير ذي فائدة كبيرة، ويقع بالقرب من صحراء شاسعة ومسطحة جداً، وهي أيضاً غير ذات فائدة كبيرة. هذه المنشآت، التي تخلق ما يمكن تسميته بـ "الصحارى الحيوية"، لن تكون متعارضة مع أحلام السياحة الفاخرة التي يطورها الأمراء حالياً. لكن، بالطبع، هذا شيء آخر.

قد تتمثل إحدى الصيغ البديلة في وجود جامّع متحرك، محمول على أذرع دوّارة تُثبَّت عليها براغي لا نهائية (دودة). في هذه الحالة، تكون المرآة ثابتة. وبرأيي، ستقاوم هذه الصيغة الرياح العاتية بسهولة أكبر (حيث يُطوى أنبوب الجامّع ويُوضع في حيز مخصص). كما أن تنظيفها أسهل، باستخدام ممسحة زجاج متحركة. كما أن هذا النوع من المرايا يناسب بشكل أفضل التوحيد العالمي، من خلال توريده على شكل عناصر منفصلة.

طاقة شمسية فريسنل JPP

جامّع شمسي مع مرآة ثابتة وأنبوب بؤري متحرك.

يجب تجربة كلتا الصيغتين. لقد اختبر البلجيكيون نظامهم بنجاح بالفعل. لا شيء من هذا القبيل في فرنسا، ما لم أكن مخطئاً.

http://www.solarmundo-power.com

يمكن للجامّع الخفيف فريسنل من سولارموندو (SFC)

أن يجعل الطاقة الشمسية أرخص من النفط

تقييم لإمكانات جامّع سولارموندو الجديد لحماية المناخ

كريستوف بالز (Germanwatch، bals@germanwatch.org)، و

الدكتور غيرهارت كنيس (صندوق هامبورغ لحماية المناخ، knies.gerhard@t-online.de)

رؤية فنية لوحدة سولارموندو، مقامة في صحراء

بعد فحص دقيق للجامّع الخفيف الجديد فريسنل من سولارموندو (SFC)، يصل المؤلفان إلى التقييم التالي: مع هذا التطور الحديث، يمكن للطاقة الشمسية في الدول المشمسة جيداً أن تصبح أرخص من النفط خلال بضع سنوات، دون الحاجة إلى اختراق تقني إضافي. إذا عمل نظام SFC كما هو مخطط له، فسيوفر إمكانات هائلة لحماية المناخ عالمياً، ولتوفير كهرباء نظيفة وغير محدودة في جميع أنحاء العالم. - بون وهامبورغ، أكتوبر 2001.

أداء محطات SFC
كهرباء نظيفة، أرخص من النفط:

في المواقع ذات الإشعاع الشمسي الجيد، يمكن لجامّع سولارموندو () إنتاج بخار بتكلفة أقل من النفط، عندما تتجاوز أسعار البرميل 20 دولاراً أمريكياً. وهذا يعني أن محطة شمسية يمكنها إنتاج الكهرباء بتكاليف أقل من تلك الخاصة بمحطة حرارية تعمل بالنفط.

مقترنة بتحلية المياه

يمكن استخدام قدرة التبريد، كما في أي محطة حرارية، لتحلية مياه البحر أو المياه قليلة الملوحة. يمكن لمحطة شمسية بقدرة 400 ميغاواط أن تولّد بالتزامن من 10 إلى 20 ألف متر مكعب في الساعة. هذه التكنولوجيا راسخة ومثبتة.

مقترنة بزراعة المواقع

تقع المرآة المسطحة لنظام SFC على ارتفاع حوالي 4 أمتار فوق سطح الأرض. في الظل تحتها، تنخفض شدة الضوء وتبخر الماء. هناك ما يكفي من الضوء، على سبيل المثال، لزراعة الطماطم.

ستوفر محطة بقدرة 400 ميغاواط حوالي 3 كيلومترات مربعة من الظل للمحاصيل. يمكن أن يأتي ماء الري من التحلية.

يجب تقييم تفاصيل هذا التطبيق، مثل العائد لكل محصول وهكتار، وكمية الماء المطلوبة للري، من خلال دراسة جدوى، ودراستها في مشروع تجريبي.

الإمكانات المستقبلية مع التخزين المدمج للطاقة الشمسية

هناك منظور واعد لتكييف بسيط نسبياً مخصص لتخزين الحرارة، وبالتالي توفير الكهرباء عند الطلب على مدار 24 ساعة. هذا يمنح الكهرباء الشمسية إمكانات كبيرة لتزويد الطاقة في الدول المشمسة، وللتصدير إلى الدول الصناعية في الشمال.

وبالتالي، توفر تقنية SFC فرصاً مثيرة للاهتمام لتوفير كهرباء نظيفة بتكلفة منخفضة في الدول المشمسة، سواء لاحتياجاتها المحلية أو للتصدير، ولتجنب المخاطر البيئية المحلية مثل الاحتراق غير النظيف للفحم أو قطع الأخشاب للاستخدام كوقود. وبما أن جزءاً كبيراً من أعمال البناء والصيانة والتشغيل يمكن أن تنفذه العمالة المحلية، فقد يخلق فرص عمل صناعية في البلدان النامية.

رسوم متحركة بالحاسوب: 4 صفوف من جامّعات SFC مع خط نقل البخار إلى المحطة.

إمكانات SFC لحماية المناخ العالمي

ستوسع تقنية SFC بشكل كبير قدراتنا على إنتاج الكهرباء الشمسية. بمجرد التحقق من هذه التقنية من خلال برنامج تشغيل كامل - ربما خلال سنة أو سنتين - يمكنها المساهمة في توفير كهرباء نظيفة للاحتياجات الضخمة المتوقعة في المستقبل في الدول النامية المشمسة، بما في ذلك الهند والصين. هنا، هناك حاجة إلى قدرات جديدة بعشرات الجيغاواط.

بالاقتران مع التكلفة المنخفضة نسبياً لنقل الطاقة لمسافات طويلة عبر خطوط الجهد العالي للتيار المستمر (HVDC)، يعيش حوالي 95% من سكان العالم في نطاق مناطق صحراوية مناسبة لإنتاج الكهرباء الحرارية الشمسية بأسعار مخفضة، مع مساحة كافية لحقول الجامّعات. على سبيل المثال، لإنتاج 500 تيراواط/ساعة سنوياً من الطاقة الكهربائية، وهو ما يعادل 20% من الاستهلاك السنوي للكهرباء في الاتحاد الأوروبي، يلزم حقل جامّعات بحجم حوالي 45 × 45 كم، وإشعاع شمسي صحراوي. يوفر المغرب كلا الشرطين: إشعاع شمسي جيد واتصال سهل بالشبكة الأوروبية.

نظراً لأن تخزين الحرارة سيسمح بإنتاج الكهرباء عند الطلب ليلاً ونهاراً، يمكن لتقنية SFC، مع هذا التطبيق المستقبلي، أن تساهم بشكل كبير في التحول السريع المطلوب عالمياً نحو كهرباء نظيفة.

حتى مع طريقة البناء الحالية، يمكن أن تكون هذه الكهرباء الشمسية تنافسية مع محطات النفط. يجب توقع تحسينات مفاهيمية إضافية وخفضات إضافية في التكاليف من توسيع قدرات الإنتاج.

نظراً للإمكانات الاستثنائية لتقنية SFC لحماية المناخ العالمي، هناك مصلحة عامة كبيرة في تسريع تطوير هذه التقنية قدر الإمكان. لذلك، نوصي بدعم مناسب للتحقق السريع من إمكانات هذه التقنية. في حالة نجاح الاختبارات، ستُفتح الأبواب لإطلاق عالمي في السوق.

يمكن أن يأتي القوة الكاملة لحماية المناخ العالمي من تعاون غير محدود بين الشمال والجنوب.

SFC - الأجهزة التقنية

يمكن تركيز ضوء الشمس بواسطة مرآة قطع مكافئ لإنتاج البخار لمحطة. اخترع الفيزيائي الفرنسي أ. ج. فريسنل (1788 - 1827) نظاماً بسيطاً لاستبدال المرايا المنحنية بمجموعة مسطحة من شرائط المرايا.

بهذا النظام، حوّلت شركة سولارموندو NV (بلجيكا) الحوض الضخم لمرآة القطع المكافئ إلى سطح مسطح بسيط يتكون من شرائط مرايا ممدودة. تعكس صف من 48 من هذه الشرائط، كل منها بعرض 50 سم وطول يصل إلى حوالي 1000 متر، ضوء الشمس على أنبوب جامّع بطول 1000 متر مثبت على ارتفاع 15 متراً فوق الصف. يمكن إمالة شرائط المرايا حول محاورها الطولية لتتبع الشمس. في الطقس الصافي، يمكن للضوء الشمسي المركّز أن يسخن الأنبوب الجامّع إلى أكثر من 500 درجة مئوية. هذا يكفي لإنتاج البخار لتوربين تقليدي مقترن بمولد بقدرة 4.8 ميغاواط. يمكن دمج عدد كبير من عناصر الجامّعات هذه لتوسيع القدرات - حتى عدة مئات من الميغاواط.

نلخص هنا التحسينات التي يوفرها تصميم SFC مقارنة بالجامّعات الخطية القطعية المكافئة من الجيل الأول، والتي تعمل بشكل موثوق جداً منذ 10 سنوات في صحراء موهافي في كاليفورنيا.

الفرق في التصميم:

تُستبدل مرآة قطع مكافئ كبيرة، بعرض نموذجي يبلغ 6 أمتار، تستند إلى هيكل دعم متحرك معقد لتتبع الشمس، بصف ثابت وأفقي من شرائط المرايا المسطحة الصغيرة القابلة للدوران، ومركّز ثانوي صغير خلف الأنبوب الجامّع.
تُستبدل بؤرة القطع المكافئ المتحرك - الذي يتتبع حركة الشمس - بخط بؤري ثابت، تنعكس عليه كل عنصر من عناصر المرآة والمركّز الثانوي ضوء الشمس. أصبح الأنبوب الجامّع الآن في وضع ثابت.
هيكل الدعم لمحاور المرايا والأنبوب الجامّع ثابت.

بفضل طلاء سطحي جديد للأنبوب الجامّع، يمكن استبدال العزل المكلف بالتفريغ الهوائي للأنبوب الطويل بحماية بسيطة من فقدان الحرارة والإشعاع في الغلاف الجوي العادي.

يتم إنتاج البخار مباشرة في الأنبوب الجامّع، بدلاً من بعد نقل الحرارة إلى غلاية بخار بواسطة سائل خاص ومبادلات حرارية.

الفرق في الكفاءة في جمع الضوء والأداء خلال النهار

الكفاءات المقارنة للأنظمة القائمة على مرايا القطع المكافئ وجامّعات فريسنل (عند خط عرض القاهرة). نرى أنها متقاربة جداً.

تغطية حقل الجامّعات بعناصر المرايا مختلفة في الجهازين.

في جهاز سولارموندو، يكون حقل الجامّعات مغطى تقريباً بالكامل بالمرايا. يؤدي هذا إلى بعض التظليل المتبادل في الساعات القصوى من اليوم، في الصباح الباكر وفي وقت متأخر من بعد الظهر. في أجهزة القطع المكافئ، تكون صفوف القطع المكافئ المصطفة من الشمال إلى الجنوب مفصولة بصفين فارغين لتجنب التظليل في الصباح وبعد الظهر، مما يوفر بالتالي عائداً منخفضاً، في ثلث حقل الجامّعات فقط، ولكن أكثر ثباتاً خلال النهار.

من حيث مساحة المرآة المستخدمة، يكون جمع الإشعاع أفضل لجامّعات سولارموندو فريسنل، ومن حيث قطاع المرآة، يكون جمع الإشعاع أفضل مع مرايا القطع المكافئ.

تتحقق خفضات التكاليف بشكل رئيسي من خلال:
العديد من المرايا المسطحة الصغيرة السهلة البناء بدلاً من مرآة كبيرة مصممة خصيصاً (قطع مكافئ).
يتم تدوير المرايا الصغيرة فقط لتتبع الشمس. تبقى محاور دعمها، والهياكل، والأنبوب الجامّع ثابتة.
يمكن صنع هيكل الدعم بأكمله بسهولة من قطع قياسية.
الوضع الأفقي الدائم لصف المرايا يقلل بشكل كبير من قوة الرياح.
تم تجنب العزل بالتفريغ الهوائي حول الأنبوب الجامّع.
الإنتاج المباشر للبخار في الأنبوب الجامّع.
يمكن استخدام العمالة المحلية منخفضة التكلفة على نطاق واسع لتجميع المكونات.
تشغيل وصيانة مبسطة لحقل الجامّعات.
مرحلة التطوير

حتى الآن، تم تنفيذ شرائط مرايا فريسنل، والمركّز الثانوي، والأنبوب الجامّع، واختبارها في المختبر، وتجميعها في منشأة تجريبية في بلجيكا، بعرض 24 متراً، ولكن بطول 100 متر فقط بدلاً من 1000 متر المخطط لها للوحدة القياسية المقترحة بقدرة 4.8 ميغاواط.

تم التحقق من الوظائف الميكانيكية للجامّع في هذه المنشأة التجريبية. بالإضافة إلى ذلك، تم إنتاج البخار عند درجة حرارة 270 مئوية، بما يتوافق مع التوقعات للمنشأة التجريبية، مع درجة حرارة قصوى محدودة بطبقة انتقائية أولية على الأنبوب الجامّع. تم فحص طبقة انتقائية جديدة، خاصة بدرجات الحرارة العالية، بنجاح في المختبر، عند 500 درجة مئوية. وقد بدأت إنتاج الأنابيب بهذه الطبقة. يجب التحقق من الاستقرار طويل الأمد لخصائص الامتصاص العالي والإشعاع المنخفض لهذه الطبقة، ومن التحكم في عملية إنتاج البخار، عند درجات حرارة التشغيل المتوقعة البالغة 400 درجة مئوية، باستخدام جامّع بالحجم الكامل وإشعاع شمسي كامل.

الأجهزة الإضافية لتخزين الحرارة والزراعة الزراعية لا توجد حتى الآن إلا "على الورق".

الخطوات التالية
الخطوة التالية هي إثبات عمل الجامّع في ظروف شمسية واقعية وخلال فترة معقولة، مثلاً عدة أشهر. لهذا الغرض، يجب بناء وتشغيل مصنع عرض، يتكون من صف كامل واحد على الأقل من الجامّعات بحوالي 5 ميغاواط، لإنتاج البخار بالطاقة الشمسية.

يتطلب هذا استثماراً يتراوح بين 8 و10 ملايين يورو، وتحديد موقع بإشعاع شمسي قوي وتكلفة عمالة منخفضة. عرضت الحكومة المغربية توفير موقع مناسب. في جنوب أوروبا، مع إشعاع شمسي أقل وتكلفة عمالة أعلى، ستكون التكلفة أعلى بحوالي 50%.

من المرغوب أن تبدأ أعمال البناء في أوائل عام 2002 (! ...).

بالتوازي مع أعمال البناء، يجب أن تكون هناك دراسات جدوى حول الإمكانات التقنية ودراسات سوق لخيار الزراعة لحقول جامّعات سولارموندو، بالإضافة إلى نموذج تجريبي.
يجب دراسة الجدوى التقنية لتخزين الطاقة ليلاً ونهاراً، وكذلك أهمية إنتاج الكهرباء عند الطلب، للإمداد المحلي ولتصدير الكهرباء على نطاق واسع.
بناءً على خبرة بناء وتشغيل مصنع العرض، يجب البدء في تخطيط وبناء محطات تجارية تتراوح قدرتها بين 50 ميغاواط وعدة مئات من الميغاواط.